KR102298424B1 - 전기이중층 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 EDLC에 관한 것으로, 제1전극; 제1전극과 대향되도록 배치되는 제2전극; 및 제1전극과 제2전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 제1전극 및 제2전극은 각각 다수개의 기공이 형성되는 개포형 발포 금속과, 다수개의 기공을 통해 개포형 발포 금속의 일면이나 타면에 돌출되게 형성되는 전극 활물질을 포함하며, 개포형 발포 금속은 제1금속 분말을 용융시킨 후 용융 금속에 증점제로 칼슘(Ca)를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시킨 후 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하며, 혼합물에 발포제로 수산화 티타늄(TiH2)을 혼합한 후 600 내지 700℃로 유지하여 용융 금속을 발포시킨 후 용융 금속이 발포되면 용융 금속을 냉각시켜 형성되며, 전도성 섬유 분말은 제2금속분말과 카본 나노 섬유의 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 EDLC에 관한 것으로, 특히 전극 활물질이 도포되는 집전체의 표면적을 증가시킴에 의해 낮은 ESR(equivalent series resistance)을 갖는 전기이중층 커패시터(EDLC)에 관한 것이다.
EDLC(electric double layer capacitor)는 전극으로 활성탄을 사용하고 있으며, EDLC의 전극으로 사용되는 활성탄에 관련된 기술이 한국공개특허공보 제10-2011-0063472호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0063472호는 EDLC의 전극에 사용되는 활성탄 제조 방법으로 평균 입경이 작고 입자 크기가 균일하며 비표면적이 비교적 큰 활성탄을 용이하고 생산성이 있도록 제조하기 위한 것이다. 한국공개특허공보 제10-2011-0063472호에 기재된 EDLC의 전극에 사용되는 활성탄 제조 방법은 출발 물질로서 석유 코크스나 석탄 코크스와 같은 용이하게 흑연화 가능한 탄소재를 이용하고, 탄소재는 산화 기체 대기하에서 출발 물질을 소성하고, 탄소재의 입자 크기 조절 및 활성화시켜 제조한다.
한국공개특허공보 제10-2011-0063472호에 기재된 것과 같이 종래의 EDLC의 전극은 활물질로 활성탄을 사용하고 있으며, 활물질이 도포되는 집전체로 금속 포일을 사용하고 있다. 이와 같이 종래의 EDLC는 전극의 활물질이 도포되는 집전체로 표면이 평평한 금속 포일이 사용됨으로 인해 집전체와 활물질 사이의 접착력이 약해 부분적으로 활물질이 박리되어 ESR(equivalent series resistance)이 높아짐에 의해 EDLC의 전기적인 특성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극 활물질이 도포되는 집전체의 표면적을 증가시킴에 의해 낮은 ESR(equivalent series resistance)을 갖는 EDLC를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 첨가하여 전도성 섬유 분말에 용융 금속이 침투하도록 하여 기공의 형태나 크기가 일정하게 형성하여 전극 활물질이 집전체의 표면에 고르게 형성할 수 있도록 함과 아울러 전기전도성을 개선시킴으로써 낮은 ESR을 갖음과 동시에 표면적을 증가시켜 에너지 밀도를 개선시키며 제품을 경량화시킬 수 있는 EDLC를 제공함에 있다.
본 발명의 EDLC는 제1전극; 상기 제1전극과 대향되도록 배치되는 제2전극; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 다수개의 기공이 형성되는 개포형 발포 금속(open cell type metal foam)과, 상기 다수개의 기공을 통해 상기 개포형 발포 금속의 일면이나 타면에 돌출되게 형성되는 전극 활물질을 포함하며, 상기 개포형 발포 금속은 제1금속 분말을 용융시킨 후 용융 금속에 증점제로 칼슘(Ca)를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시킨 후 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하며, 상기 혼합물에 발포제로 수산화 티타늄(TiH2)을 혼합한 후 600 내지 700℃로 유지하여 혼합물을 발포시킨 후 상기 혼합물이 발포되면 혼합물을 냉각시켜 형성되며, 상기 전도성 섬유 분말은 제2금속분말과 카본 나노 섬유(carbon nano fiber)의 혼합물이 사용되고, 상기 카본 나노 섬유는 평균 입경이 상기 제1금속 분말의 평균입경보다 작은 카본 나노 섬유 분말이 사용되며, 상기 제2금속 분말의 평균 입경은 상기 카본 나노 섬유 분말보다 작은 것이 사용되며, 상기 개포형 발포 금속은 기공율이 85 내지 98％이며 비중이 0.5 ~ 1.2가 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 EDLC는 전극 활물질이 도포되는 집전체의 표면적을 증가시킴에 의해 낮은 ESR(equivalent series resistance)을 갖는 EDLC의 전극 을 제조할 수 있는 이점이 있으며, 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 첨가하여 전도성 섬유 분말에 용융 금속이 침투하도록 하여 기공의 형태나 크기가 일정하게 형성하여 전극 활물질이 집전체의 표면에 고르게 형성할 수 있도록 함과 아울러 전기전도성을 개선시킴으로써 낮은 ESR을 갖음과 동시에 표면적을 증가시켜 에너지 밀도를 개선시키며 제품을 경량화시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 EDLC의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 제1전극의 확대 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 제1전극의 확대 단면도.
이하, 본 발명의 EDLC의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 2에서와 같이 본 발명의 EDLC는 제1전극(110), 제2전극(120) 및 분리막(130)을 포함하여 구성된다.
제1전극(110)은 케이스(140)의 내측에 배치되고, 제2전극(120)은 케이스(140)의 내측에 제1전극(110)과 대향되도록 배치되며, 분리막(130)은 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 배치된다. 분리막(130)을 사이에 두고 배치되는 제1전극(110) 및 제2전극(120)은 각각 개포형 발포 금속(111)과 전극 활물질(112)을 포함하여 구성된다. 개포형 발포 금속(111)은 제1전극(110)이나 제2전극(120)을 각각 지지하며, 제1금속 분말을 용융시킨 후 용융 금속에 증점제로 칼슘(Ca)를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시킨 후 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하며, 혼합물에 발포제로 수산화 티타늄(TiH2)을 혼합한 후 600 내지 700℃로 유지하여 혼합물을 발포시킨 후 혼합물이 발포되면 혼합물을 냉각시켜 형성되며, 전도성 섬유 분말은 제2금속분말과 카본 나노 섬유(carbon nano fiber)의 혼합물이 사용되어 형성된다. 전극 활물질(112)은 다수개이 기공(111a)을 통해 개포형 발포 금속(111)의 일면이나 타면으로 돌출되게 도포되어 형성된다. 즉, 전극 활물질(112)은 발포 금속(11)의 일면이나 타면에 위치되도록 금속층(12)의 표면에 전극(110)물질을 도포하여 형성된다.
본 발명의 EDLC의 실시예에 따른 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1전극(110)과 제2전극(120)은 각각 도 1 및 도 2에서와 같이 각각 개포형 발포 금속(111)와 전극 활물질(112)을 포함하여 구성되며, 제1전극(110)과 제2전극(120)에 각각 구비되는 개포형 발포 금속(111)은 도 2에서와 같이 일측에 외부단자(113)가 연결된다.
제1전극(110)과 제2전극(120)에 각각 구비되는 발포 금속(11)은 개포형 발포 금속(111)을 전반적으로 지지한다. 이러한 발포 금속(11)은 제1금속 분말을 용융시킨 후 용융 금속에 증점제를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시키며고, 증점제는 칼슘(Ca)이 사용되며, 칼슘(Ca)이 사용되는 증점제는 제1금속 분말 대비 5 내지 15wt％가 첨가되어 용융 금속의 점도를 조정한다. 이와 같이 용융 금속에 포함되는 제1금속 분말은 평균 입경이 1 내지 10㎜인 알루미늄 분말이 사용됨으로 낮은 온도에 용이하게 용융 금속을 형성할 수 있도록 하였으며, 추 후 용융 금속에 전도성 섬유 분말의 혼합시 전도성 섬유 분말이 고르게 혼합되도록 한다.
용융 금속의 점도가 증가되면 점도가 증가된 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 혼합하여 혼합물을 형성한다. 전도성 섬유 분말은 제2금속분말과 카본 나노 섬유(carbon nano fiber)의 혼합물이 사용되며, 이러한 혼합물에 포함되는 전도성 섬유 분말은 제2금속분말과 카본 나노 섬유의 혼합물이 사용된다. 즉, 카본 나노 섬유는 평균 입경이 제1금속 분말의 평균입경보다 작은 카본 나노 섬유 분말이 사용되며, 제2금속 분말의 평균 입경은 카본 나노 섬유 분말보다 작은 것이 사용되며 재질은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 철(Fe), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 니켈(Ni) 중 하나가 선택되어 사용되며, 카본 나노 섬유 분말의 평균입경은 0.1 내지 5㎛인 것이 사용되며, 제2금속 분말의 평균 입경은 0.05 내지 0.01㎛인 것이 사용된다. 이와 같이, 혼합물을 형성하는 단계(S120)에서 전도성 섬유 분말은 카본 나노 섬유와 제2금속분말을 볼밀링 방법을 이용해 혼합하거나 카본 나노 섬유의 표면에 제2금속분말을 도금하여 형성된다.
카본 나노 섬유의 표면에 제2금속분말을 도금하여 형성되는 전도성 섬유 분말은 용융 금속에 첨가되면 전도성 섬유 분말에 용융 금속이 침투되고 이로 인해 도 2에 도시된 다수개의 기공(111a)의 형태나 크기가 일정하게 형성하여 전극 활물질(112)이 집전체 즉, 개포형 발포 금속(111)의 표면에 고르게 형성할 수 있도록 함과 아울러 전기전도성을 개선시킴으로써 낮은 ESR을 갖음과 동시에 표면적을 증가시켜 본 발명의 전극(110)을 EDLC(도시 않음)에 적용 시 에너지 밀도를 개선시키며 제품을 경량화시킬 수 있게 된다.
용융 금속에 전도성 섬유 분말을 혼합하여 혼합물이 형성되면 혼합물에 발포제를 혼합한 후 600 내지 700℃로 유지하여 혼합물을 발포시킨다. 혼합물에 혼합되는 발포제는 수산화 티타늄(TiH2)이 사용되며, 수산화 티타늄(TiH2)이 사용되는 발포제는 혼합물 대비 10 내지 20wt％가 첨가된다. 혼합물이 발포되면 혼합물을 냉각시켜 도 2에서와 같이 개포형 발포 금속(open cell type metal foam)(111)을 형성하며, 개포형 발포 금속(111)은 다수개의 기공(111a)이 형성되며, 기공율이 85 내지 98％이며 비중이 0.5 ~ 1.2가 되도록 형성되고 두께는 10 내지 300㎛가 되도록 형성된다.
제1전극(110)과 제2전극(120)에 각각 포함되며 집전체로 사용되는 개포형 발포 금속(111)이 형성되면 다수개의 기공(111a)을 통해 개포형 발포 금속(111)의 일측의 표면이나 타측의 표면으로 돌출되게 전극 활물질(112)을 형성한다. 전극 활물질(112)은 도 2에서와 같이 개포형 발포 금속(111)의 일면이나 타면으로 전극 활물질(112)을 도포하여 형성된다. 즉, 전극 활물질(112)은 개포형 발포 금속(111)의 일면이나 타면에 위치되도록 도포하여 형성된다. 이러한 전극 활물질(112)은 활성탄 80 내지 90wt％와 도전제 8 내지 15wt％와 바인더 2 내지 5wt％로 이루어지며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용된다.
제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 배치되는 분리막(130)은 다공성 셀룰로스(cellulose)가 사용되며, 제1전극(110)이나 제2전극(120)에 각각 구비되는 외부전극(113)은 개포형 발포 금속(111)에 연결된다. 이러한, 외부전극(113)은 각각 제1전극(110)과 제2전극(120)에 각각 구비되는 개포형 발포 금속(111) 중 전극 활물질(112)이 도포되지 않은 영역에 배치되어 개포형 발포 금속(111)와 연결된다. 예를 들어, 외부전극(113)은 각각 개포형 발포 금속(111)과 접합되도록 연결되어 제1전극(110)이나 제2전극(120)과 전기적으로 연결된다. 케이스(140)는 공지된 캔형이나 파우치형이 사용된다. 이러한 제1전극(110)과 제2전극(120) 중 하나는 개포형 발포 금속(111)과 전극 활물질(112) 사이에 금속 산화막(도시 않음)이 형성된다.
전술한 본 발명의 EDLC의 전기적인 시험을 위해 시험 샘플을 제조하였다. EDLC의 시험 샘플은 전술한 것과 같이 제1전극(110), 제2전극(120) 및 분리막(130)을 포함하여 구성되며, 제1전극(110)과 제2전극(120)은 서로 동일하게 제조됨으로 도 2에 도시된 제1전극(110)을 이용해 설명하면 다음과 같다.
제1전극(110)은 개포형 발포 금속(111)으로 제조하였다. 개포형 발포 금속(111)은 도가니(도시 않음)를 이용해 전술한 방법을 이용해 제조하였다. 다만, 증점제는 칼슘(Ca)이 사용되며 칼슘(Ca)은 용융 금속 대비 10wt％를 첨가하였었다. 증점제에 의해 용융 금속의 점도를 증가시킨 후 점도가 증가된 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 혼합하고, 이 후 발포제를 혼합한 상태에서 650℃로 유지하여 혼합물을 발포시킨 후 혼합물이 발포되면 주형(도시 않음)에 투입시킨 후 냉각시켜 개포형 발포 금속(111)을 형성하였다. 즉, 증점제에 의해 용융 금속의 점도가 증가되면 발포제를 이용해 개포형 발포 금속(111)을 형성하였다. 여기서, 발포제는 수산화 티타늄(TiH2)이 사용되며, 수산화 티타늄(TiH2)은 혼합물 대비 15wt％가 첨가하였다. 발포제에 의해 혼합물이 발포되면 혼합물을 주형(도시 않음)에 투입시킨 후 냉각시켜 개포형 발포 금속(111)을 형성하였다. 여기서, 주형(도시 않음)은 공지된 기술이 적용되며, 주형을 이용해 형성된 개포형 발포 금속(111)은 도 2에서와 같이 다수개의 기공(111a)의 기공율이 90％가 되게 형성하였다.
개포형 발포 금속(111)를 형성한 후 전극 활물질(112)을 형성하였다. 전극 활물질(112)은 개포형 발포 금속(111)의 일면이나 타면으로 돌출되게 형성하였다. 이러한 전극 활물질(112)은 활성탄 90wt％와 도전제 8wt％와 바인더 2wt％로 이루어지며, 도전제는 케쳔블랙(ketjen black)이 사용되었고, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride)가 사용되었다.
제1전극(110)이 제조되면 제2전극(120) 또한 동일한 방법으로 제조되며, 제1전극(110)과 제2전극(120)이 각각 제조되면 제1전극(110)과 제2전극(120)를 이용해 도 1에 도시된 것과 같이 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 다공성 셀룰로스(cellulose)가 사용되는 분리막(130)을 개재시킨 후 케이스(140)의 내측에 조립시켜 시험 샘플에 따른 EDLC를 제조하였다. 여기서, 제1전극(110)과 제2전극(120)은 각각 외부전극(113)이 연결되며, 외부전극(113)은 각각 개포형 발포 금속(111)과 접합되도록 연결시켜 제1전극(110)이나 제2전극(120)과 전기적으로 연결되도록 하였다.
전술한 방법으로 제조된 EDLC와 ESR의 특성을 비교하기 위해 전술한 방법으로 제조된 EDLC에서 집전체로 개포형 발포 금속(111) 대신 알루미늄박이 사용하였으며, 각각의 ESR의 특성을 시험한 결과, 본 발명으로 제조된 EDLC의 ESR은 8mΩ이 측정되었으며 집전체로 알루미늄박이 사용한 EDLC의 ESR은 13mΩ이 측정되었다. 즉, 본 발명의 EDLC는 집전체로 개포형 발포 금속(111)이 사용되고, 개포형 발포 금속(111)의 제조 시 제2금속분말과 카본 나노 섬유의 혼합물이 사용되는 전도성 섬유 분말이 첨가됨에 의해 다수개이 기공(111a)의 형상이나 크기 고르게 형성되고, 이로 인해 전극 활물질(112)이 고르게 형성됨에 의해 접착력이 개선되어 ESR 특성이 개선된 것으로 판단되었다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 EDLC는 전극 활물질이 도포되는 집전체의 표면적을 증가시킴에 의해 낮은 ESR(equivalent series resistance)을 갖는 EDLC의 전극 을 제조할 수 있으며, 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 첨가하여 전도성 섬유 분말에 용융 금속이 침투하도록 하여 기공의 형태나 크기가 일정하게 형성하여 전극 활물질이 집전체의 표면에 고르게 형성할 수 있도록 함과 아울러 전기전도성을 개선시킴으로써 낮은 ESR을 갖음과 동시에 표면적을 증가시켜 에너지 밀도를 개선시키며 제품을 경량화시킬 수 있다.
본 발명의 EDLC는 EDLC 제조 산업 분야에 적용할 수 있다.
110: 제1전극
120: 제2전극
130: 분리막
140: 케이스
111: 개포형 발포 금속
112: 전극 활물질
120: 제2전극
130: 분리막
140: 케이스
111: 개포형 발포 금속
112: 전극 활물질
Claims (6)
- 제1전극;
상기 제1전극과 대향되도록 배치되는 제2전극; 및
상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고,
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 다수개의 기공이 형성되는 개포형 발포 금속(open cell type metal foam)과, 상기 다수개의 기공을 통해 상기 개포형 발포 금속의 일면이나 타면에 돌출되게 형성되는 전극 활물질을 포함하며, 상기 개포형 발포 금속은 제1금속 분말을 용융시킨 후 용융 금속에 증점제로 칼슘(Ca)를 혼합하여 용융 금속의 점도를 증가시킨 후 용융 금속에 전도성 섬유 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하며, 상기 혼합물에 발포제로 수산화 티타늄(TiH2)을 혼합한 후 600 내지 700℃로 유지하여 혼합물을 발포시킨 후 상기 혼합물이 발포되면 혼합물을 냉각시켜 형성되며, 상기 전도성 섬유 분말은 제2금속분말과 카본 나노 섬유(carbon nano fiber)의 혼합물이 사용되고, 상기 카본 나노 섬유는 평균 입경이 상기 제1금속 분말의 평균입경보다 작은 카본 나노 섬유 분말이 사용되며, 상기 제2금속 분말의 평균 입경은 상기 카본 나노 섬유 분말보다 작은 것이 사용되며, 상기 개포형 발포 금속은 기공율이 85 내지 98％이며 비중이 0.5 ~ 1.2가 되도록 형성되는 EDLC(electric double layer capacitor). - 제1항에 있어서,
상기 제1금속 분말은 평균 입경이 1 내지 10㎜인 알루미늄 분말이 사용되며, 상기 전도성 섬유 분말은 카본 나노 섬유와 제2금속분말을 볼밀링 방법을 이용해 혼합하거나 카본 나노 섬유의 표면에 제2금속분말을 도금하여 형성되는 EDLC. - 제1항에 있어서,
상기 증점제는 제1금속 분말 대비 5 내지 15wt％가 첨가되며, 상기 발포제는 용융 금속 대비 10 내지 20wt％가 첨가되는 EDLC. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전극 활물질은 활성탄 80 내지 90wt％와 도전제 8 내지 15wt％와 바인더 2 내지 5wt％로 이루어지며, 상기 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나가 사용되며, 상기 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나가 사용되는 EDLC.
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